太阳能热利用原理与技术课件.ppt

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1、热能利用的历史就是一部人类的发展史：,我国目前的各种用能的比例见下图：,美国目前的各种用能的比例见下图：,开发可再生能源的必要性,但化石能源是短时间不可再生的，叫做一次性能源。这些能源的藏量有限，很快就会枯竭，而且在使用时带来严重的环境污染。因此，探索使用可再生的能源是十分必要的，太阳能、生物质能、风能等是可再生能源的主体，特别是太阳能：取之不尽，用之不竭，清洁可靠、免费供应、人人均等。,世界上最丰富的永久性能源是太阳能。地球截取的太阳辐射能通量为：1.71014kW。其中：约30%被直接反射回宇宙空间；47%转变为热，以长波辐射形式再次返回太空；约23%是水蒸发、凝结的动力和风与波浪的动能；

2、植物通过光合作用吸收的能量不到0.5%。,太阳能的一般情况,地球每年接收的太阳能总量为11018kWh，相当于51014桶原油，是探明原油储量的几百倍，是世界年耗能总量的一万余倍。,但太阳能与有严重的缺陷：,1 总量虽然巨大，但通量密度低，大气层外为1353W/m2，在地面上1000 W/m2。2有季节、昼夜和晴雨等间歇性变化。,一历史的回顾我国西汉时即有“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则生“火”的说法；西周时代：我们的祖先已经掌握了“阳燧”取火的技术，“阳燧”实际上是一种凹面镜，这是我国太阳能利用的最早记录。,1.2 太阳能热利用的历史、现状和未来,在国外，第一个大规模应用太阳能的人，是希

3、腊的著名科学家阿基米德。公元前212年，他用许多平面镜将阳光聚集起来，烧毁了攻击西西里岛西拉修斯港的罗马舰队。15世纪一名阿拉伯炼丹术士就使用了大马士革镜进行了太阳能蒸馏。实现了人工的海水淡化过程。18世纪初发明了第一架用太阳能驱动的发动机；1874年在智利北部Las Salinas建造了第一个大型（4700m2）的太阳能蒸馏水厂；埃及成功地运行了灌溉用的太阳能水泵。,到了近代和现代：,19201930年，美国加州地区开始用太阳能集热器为用户供应热水。1938年美国麻省理工学院建成了第一座太阳能采暖建筑。1973年爆发能源危机，进一步促进了新能源的研究与发展，许多国家把重视太阳能的开发利用放在

4、了战略地位上考虑。一大批太阳能利用示范工程被建立。,美国建立了首座5000kW的塔式热发电厂；美国建立了首座大型太阳能热泵采暖系统（供暖面积27870 m2，平板集热器面积3344 m2）1984的太阳能光电池的定单量已达18.5MW,二我国近年太阳能利用的发展,我国能源从总体上相当丰富，水力资源含量居世界第1位，煤碳居第3位，石油居第8位，天然气居第16位。但我国人口众多，按人均分配看，却是一个真正能源缺口大国，人均拥有的能量储量仅有美国的十七分之一。因此我国在太阳能利用方面有强烈的愿望和需求。,二我国近年太阳能利用的发展,目前，我国已经成为世界上最大的太阳能利用大国，但不是强国。我国上规模

5、的厂家有120多家，小厂家一起，超过5000家，年产值400多亿元。这些成绩的取得都是与我国科学工作者和太阳能专家分不开的。,第二章 太阳辐射,一太阳 太阳是离地球最近的一颗恒星。它是一个巨大而炽热的等离子体，主要成份为氢和氦元素。太阳几乎为球形，直径为1.392109m，是地球直径的109倍，体积比地球大130万倍。日地平均距离为1.5108km，从太阳发出的光线到达地球需要8分钟。,太阳的内部结构,太阳内部正经历着剧烈的核反应4个氢原子核1H合成1个氦原子核4He 在这种核反应中，质量亏损为：按照爱因斯坦质量能量关系释放出的能量为,太阳的辐射区,辐射区的范围约从0.25 R到0.8 R，密

6、度和温度都很快向外减小，核反应区产生的能量经此区以辐射转移的方式向外传输，从核反应区出来的是高能射线光子，经辐射区物质接连地吸收并再辐射出较低能量的光子，自内向外依次变为X射线、远紫外、紫外、可见光光子，最后以可见光光子及其他形式辐射出来。,地球与太阳的相对大小,太阳发出巨大能量向宇宙辐射，到达地球大气层上界的太阳能量只占太阳总功率的1/20亿，即1801012kW。到达地球外表高层的太阳能中，30%被大气层反射，23%被吸收，47%左右可到达地面。尽管只有47%到达地面，其功率已达851012kW。相当于全世界发电量的几十万倍。太阳表面的温度是变化的，在一般的太阳能热利用中，可将太阳表面温度

7、看成固定温度6000K(5700K)。太阳光中有各种波长的光线，一般取0.33m。已占太阳光的98%以上。,二地球绕太阳的运行规律,1地球的公转与赤纬角 贯穿地球中心与南、北两极相连的线称为地轴。地球除了绕地轴自转外（自转一周约24小时），还在椭圆形轨道上围绕太阳公转，运行一周为1年，约365天。地球自转轴与椭圆轨道平面（称黄道平面）的夹角为6633。地轴在空间的方位始终不变，因而赤道平面与黄道平面的夹角为2327。这就造成了太阳光线垂直照射在地球表面的位置一年中在 2327 纬度之间变化，这就是地球上形成四季的原因。,地球在一年中相对太阳的位置,6月22日夏至,12月23日冬至,9月23日秋

8、分,3月21日春分,在北半球,春分及秋分时，太阳光线正射（垂直照射）在赤道上，赤纬角都为零，昼夜时间相等。夏至（6月22日），太阳光线正射在北回归线上，=2327。冬至（12月22日），太阳光线正射在南回归线上，=2327。,一年中某日的赤纬可由下式计算：,n是所求当日在一年中的日子数（从一月一日算起）。,2地球的自转与太阳时,地球自转一周360，所需时间24小时；因此相当于每小时转15。由于各地所采用的时间标准不一样，所以我们生活中的时间并不是真正太阳升起降落的时间（称为太阳时）。太阳时的午时（中午12时）太阳光线正好通过当地的子午线。（或简单地说，正好在南北方向上）,太阳时与各地使用的标准

9、时间并不一致，转换关系为：,太阳时=标准时间+E 4（L标准L当地）L标准标准时间采用的标准经度，（）；L当地当地的经度，（）。E为时差公式中东半球为负号，西半球取正号。,我国取东经120为标准时间（即北京时间），所以太阳时=北京时间+E 4（120L当地）(单位为分钟),E为时差，以分为单位。,n是所求日期在一年中的日子数（从一月一日算起）。,一年中时差变化曲线,太阳时角,用角度表示的太阳时叫太阳时角，以表示。太阳午时=0，上午取负值，下午取正值。每昼夜变化为180，每小时15。例如上午10点钟时=30；下午3点钟时，=45。,三太阳辐射光谱,在平均日地距离处，大气层外垂直于辐射传播方向上单

10、位面积上的太阳辐射照度为1353W/m2，称为太阳常数，用G表示：即 G=1353W/m2太阳常数是太阳光中所包含的总能量，但太阳光中各种波长的辐射都有，描述各种波长的光在总能量中的比重关系称为光谱。,太阳辐射光谱,各种颜色的光都有相应的波长范围。红色光的波长为700nm，光谱范围为640750 nm；橙色光的波长为620 nm，光谱范围为600640 nm；黄色光的波长为580 nm，光谱范围为550600 nm；绿色光的波长为510 nm，光谱范围为480550 nm；蓝色光的波长为470 nm，光谱范围为450480 nm；紫色光的波长为420 nm，光谱范围为400450 nm。通常人

11、们把太阳光的各色光按频率或波长大小的次序排列成的光带图，叫做太阳光谱。,太阳辐射光谱,太阳不仅发射可见光，同时还有不可见光。整个太阳光谱包括紫外区、可见区和红外区3个部分。但其主要部分，是由0.33.0m的波长所组成的。其中，波长小于0.4m的紫外区和波长大于0.76m的红外区，则是人眼看不见的紫外线和红外线；波长为0.4m0.76m的可见区，就是我们所看到的白光。在到达地面的太阳光辐射中，紫外区的光线占的比例很小，大约为8.03%；主要是可见区和红外区的光线，分别占46.43%和45.54%。,太阳光谱曲线,卫星的测量表明，太阳光的波长分布非常宽广，从0.2450m，但大致可分为三个部分：紫

12、外线，可见光和红外线。,波长范围/m,所占总能量百分率/%,相应范围的辐照度/W/m2,紫 外 线,可 见 光,红 外 线,00.38,7,95,0.380.78,47.29,640,0.78,45.71,618,四太阳辐射的测量,太阳辐射可分为：直射辐射、散射辐射。直射辐射直接来自太阳而没有改变方向的太阳辐射。散射辐射太阳光受大气层散射影响而改变方向的太阳辐射。太阳总辐射接收到的太阳辐射总和，直射辐射+散射辐射。长波辐射任何物体当温度高于绝对零度时，都会发出辐射能，温度不高时，辐射波长一般大于3m。,测量辐射量一般有：,直射辐射仪、散射辐射仪、长波辐射仪、总辐射仪。G 太阳辐照度，W/m2H

13、 一天的辐照量，J/m2dI 小时的辐照量，J/m2h,五集热表面太阳入射角的计算,太阳集热器所截取的太阳直射辐射能量，主要取决于太阳入射角。而入射角与太阳赤纬角、地理纬度、集热器倾角和方位角以及太阳时角有关。,赤纬角太阳光线垂直照射在地球表面处的地理纬度。太阳时角用角度表示太阳时，叫太阳时角，15/h，上午取负，下午取正。太阳入射角太阳光线与集热器表面法线之间的夹角。实际使用时应使入射角越小越好。（不是光线与集热器平面的夹角）。集热器的倾角集热器平面与地平面的夹角。,集热器方位角集热器表面法线在地平面上的投影与正南方的夹角。太阳高度角太阳光线与其在地平面上的投影线组成的夹角。（亦即太阳光线与

14、地平面的夹角）。太阳方位角s太阳光线在地上的投影线与正南方向线的夹角。正南方为0，向西为正，向东为负。（180s180）太阳天顶角z太阳光线与地平面法线之间的夹角，与互为余角，即z+=90,太阳光在集热器表面的入射角由下式计算：,这是一个非常重要的公式，但通常可做一些简化。若集热器朝正南方，此时=0，则公式变为：,若把集热器倾角置于与当地纬度相同，即=，上式可简化为：,若集热器水平放置，则=0,太阳高度角的计算,正午时刻的太阳高度角，此时=0 春分、秋分日正午时刻的太阳高度角，此时=0，=0这说明，太阳高度角随纬度增加而减少。,每天日出及日落时刻。（太阳处于地平面上为日出或日落时刻）此时高度角

15、=0，所以,据此可求出任何地区、任何一天的日出、日落时角。,六大气层对太阳辐射的影响,大气层厚度约为30km，只有地球直径的1/400，却对太阳辐射的数量和分布有较大影响。主要是：吸收、反射和散射。太阳光线通过大气层的实际距离与大气层的法向（垂直）厚度之比称为大气质量，m。利用太阳高度角和天顶角z，可将大气质量表示为：,大气质量几何图,z=0时，m=1z=60,=30时，m=2太阳高度角越小，m越大，太阳辐射越少。夏至日，北极太阳高度角为=23.5，此时北极的m=2.5。,大气对太阳光的减弱作用主要是散射和吸收。紫外线主要被O3吸收，红外线由H2O及CO2吸收。小于0.29m的短波几乎全被大气

16、上层的臭氧吸收，在0.290.35m范围内臭氧的吸收能力降低，但在0.6m处还有一个弱吸收区。水蒸气在1.0、1.4和1.8m处都有强烈吸收带。大于2.3m的辐射大部分被H2O和CO2吸收，到达地面时已不足原来的5%.,经过大气层的散射和吸收，到达地面时，紫外线占5%（大气层外为7%）、可见光点45%（大气层外为47.3%）、红外线占50%（大气层外为45.7%）。另一个重要指标：大气透明度，,直射辐射的大气透明度b：,a0、a1、k是标准晴空大气的物理常数，（23km能见度）。散射辐射的大气透明度为：,七太阳辐射量的计算,许多地方没有太阳辐射的数据资料，只能靠计算来估计。(1)水平面上月平均

17、日的太阳辐照量 月平均日，水平面上的辐照量，MJ/m2d；大气层外，月平均日，水平面上的辐照量，MJ/m2d；,月平均日照时数，h；月平均日的最大日照时数（即昼长），h；a，b为常数，各地有参考值，根据气候、植物生长类型来定。,(2)标准晴天水平面上辐射量的计算,晴天时水平面上的直射辐照度Go大气层外，垂直于辐射方向的太阳辐照度；b直射辐射透明度。,水平面上的散射辐照度,b和d都是大气质量的函数。据此可计算出每小时内的直射和散射辐照量，一天的总和即是晴天水平面上的总辐照量Hc.,八晴空指数和直射分量的求取,衡量天气好坏指标之一是晴空指数。是月平均晴空指数，它是水平面上月平均日辐照与大气层外月平

18、均日辐照之比。KT是日晴空指数，某天的日辐照与同日大气层外日辐照之比。kT小时晴空指数，一小时内辐照量与同时间内大气层外太阳辐照量之比。,即有:,，H和I是用总辐射表在水平面上实测的辐照量；，Ho和Io可用公式计算，也可查表。,晴空指数的意义在于，可以通过它了解在总辐射能中，直射分量所占的比例。这是因为在实际太阳能应用中，掌握直射分量的多少，是确定集热器大小的重要依据。因为：（1）将水平面上的辐射数据转换到斜面上去时，要求对直射和散射分开处理。（2）在聚光型集热器中，只能利用其直射辐射。,通过大量数据统计，就可得到晴空指数与直射百分率的关系，使用时，通过查晴空指数，就可计算直射分量的大小百分数

19、。,与 的关系,1.,2 与 的关系,3 与 的关系,九水平面与倾斜面上辐照量的比较,如何将已知的水平面上的测量数据转换到倾斜面上去呢？直射分量的转换太阳光在水平面的入射角为z（天顶角）。在斜面上的入射角为，斜面倾角为。,倾斜面和水平面上接受到的直射辐射之比，称为直射修正因子Rb:,若集热器方位角=0（朝南放置）则:,同时要考虑到散射辐射和地表反射修正因子:,因此得到倾斜面上的太阳辐照量为：,为地面反射率，普通地面为0.2，积雪地面取0.7,十集热器的最佳倾角和最佳方位,集热器的设置应以使用期内收集的太阳能最多为原则:（1）对可跟踪的太阳能集热器，应使太阳光垂直入射为最佳。（2）对一天调节一次

20、的，应以正午太阳光垂直入射为最佳，=90，但考虑是下午或晚上用能，可考虑为朝南偏西1015。（3）对一月调节一次的，应以月平均日太阳能收集量最大为最佳。,（4）一年调节一次的或季度调节一次的，根据下面一般原则选择：对全年的：=0，=对于夏半年（春分到秋分）：=0，=（1015）对于冬半年（秋分到第二年春分）：=0，=+（1015）,对全年的总能量收入，还可利用如下图进行优选：,上面的图是在一定参数条件下得到的，有一定局限性，也可参照一些书中给出表格及下公式，做适当调整。,适用范围：20 38，0.35Kd0.6,十一我国太阳能资源及区划,我国的领域位于北半球的中纬度区，从南到北，自西至东，距离

21、都在五千km以上，在整个地球上，很少地方象中国这样四季分明，而太阳辐射情况又随着季节十分显著地变化。总的来看，我国是太阳能资源比较丰富的地区，每m2面积上一年内可接受的太阳辐射总能量达6.71068.4106kJ；最少的地区每m2面积上一年内也能接受到3.31064.2106kJ的热量，仍近似于法国巴黎和苏联莫斯科的太阳辐射年总量。,根据全国近700个气象台站长期观测积累的数据资料表明，我国各地的太阳辐射年总量大约在3.31068.4106kJ(m2a)之间，平均值为5.9106kJ(m2a)。,根据太阳辐射总量的分布状况，通常将我国化分为下列五类地区：一、二、三类地区是我国太阳能资源比较丰富的地区，面积很大，约占全国总面积的23以上。亦即是说，我国有约三分之二的国土太阳辐照总量接近或超过6000MJm2年，尤其是华北、西北的广大地区，日照充足，为利用太阳能提供了良好的条件。四、五类地区虽然条件较差，但如能因地制宜，采用适当的方法和装置，仍具有一定的实用意义。,我国太阳能资源区划及特征,精品课件！,精品课件！,世界各地的太阳辐射年总量,